由于潘毓桂向日军报告了29军的调动计划，日军发动袭击的时刻，正是南苑守军接防开始却尚未完成，最混乱软弱的时候。
当时，宋哲元已经认识到南苑的重要性，因此命令预备队赵登禹132师迅速进驻南苑，以新锐之师阻击日军的进攻。同时，鉴于37师战线太长，原驻守南苑大营的37师部队被调往北平方向以缩短战线。
7月27日，赵登禹到达南苑，急于赴战的他身边只带了一个团，另外，132师的另两个团刚到团河，主力尚在涿州，而37师所部正在撤离。
此时南苑的守军，包括37师一部、佟麟阁副军长率领的军部人员和军官教育团、特务旅孙玉田部两个团、骑兵第9师郑大章部的一个团，还有由热血学生组成的一个学生兵兵团，共计7000余人。鉴于前几天双方的激战，29军方面认为日军还要休整四五天才能真正发起进攻。
战争打响。正如潘毓桂所建议的，首先进攻的华北驻屯军第一联队率先突击潘毓桂描述的守军软肋——南面的学生兵团驻地。
南苑的这场战事，是学生兵们遭遇的第一场战争，也是其中大多数人遭遇的最后一场。这些握枪刚刚半个多月的学生兵，最后大半死在和日军的肉搏战中。
学生兵的设置颇有些来历。1936年12月，北平、天津、保定城里贴出布告，29军要招生。这在普遍实行募兵制的当时，着实引起不小的轰动。布告上说，为给29军培养初级军官，特招收有志从军的青年人，要求是18岁以上，初中毕业学历，一经考试录取，学制至少两年。课程设置很全面，国文、数学、物理、化学、外语，待遇也很优厚，每月津贴3元，毕业后马上成为准尉军官。
这样，又能投军报国，在兵荒马乱的岁月里对个人而言又不失为一条好出路。招生布告一下引来平、津、保地区青年学生的踊跃报名。最终招收了1500人，成立军事训练团。
军事训练团对学生兵的训练非常严格，训练中，旅长何基沣被士兵们背地里叫“何阎王”，“张扒皮”指的正是张自忠。即使是学生兵，训练也毫不放松。训练时想去厕所得先报告班长，班长说：去吧！学员一溜儿小跑，先跑到单杠区，至少拔3个杠子，再来个腰部转回，然后才能去厕所。
1999年，当中国抗日战争纪念馆的工作人员见到100多岁的张寿龄老人时，身为军训团教育长的他依然记得当年自己写下的战歌：“风云恶，陆将沉，狂澜挽转在军人……”
当时，一千多名学生兵就是唱着这首歌，举着大刀冲向敌人的。由于军备紧张，学生兵们一直没有配备武器。直到“七七”之后，他们才真正被武装起来，每人发了100发子弹，4颗手榴弹，每个班配备一把轻型机关枪，开始练习射击和投弹。当然，还有每人一把明晃晃的大刀。大刀都没开刃，刚发下来的时候，营房里着实热闹了两天。附近村子里的铁匠都被请进了军营，到处都是霍霍磨刀声。
学生兵的浴血抵抗，是日军遭遇的第一场硬仗。关于学生兵们与日军进行的白刃战中，其详细情形几不可考。在佟麟阁率教育团赶来增援之前，众多学生兵阵亡。
学生兵虽然伤亡惨重，却始终没有后退。按照日军参战官兵的回忆，整个平津，打得最惨烈的就是南苑之战。连日军中著名的勇将，当时担任华北驻屯军第一大队大队长的一木清直在卢沟桥事变发生一周年之际接受《朝日新闻》采访的时候，都不得不对学生兵们在南苑的英勇奋战表示钦佩——“面对面地死战也不肯退却”，“中国兵甚至负伤几次依然冲上来拼杀”。
学生兵们的坚守，使南苑这道阵地在中国军队手中多保留了近半天的时间。
血战
28日凌晨，日军总攻南苑。
原以为可以轻取南苑的日军，在凌晨4时遭到了第一次惨败。
一木清直所部的日军冲进南苑守军的阵地，却在阵地上纷纷踩上了地雷，损失惨重。此前日军多次对南苑的侦察，都未发现这里有布雷防御，这意外的打击使日军队形大乱，一木清直在回忆中写道，他身边的炮兵协调员被炸昏了头，对着话筒大叫——打近了，打近了……他把地雷的爆炸当成了自己的炮火，认为是日军炮兵打得太近了。
地雷的威力，加上学生兵团异常顽强的抵抗，冲入南苑的日军各自为战，失去了统一的指挥。所以，当佟麟阁率领军官教育团和特务旅一部赶来反击的时候，指挥混乱的一木清直大队未经激烈战斗，就又被从阵地上赶了出来。
关于这批日军始料不及的地雷，据29军的老人讲，有两个说法，一说这批地雷还是“七七事变”之前，佟麟阁带军官教育团进行演习时候埋下的，因为此后局势一日三变，也就没有来得及将其拆除，仅仅在地图上标出了雷区了事，却不料有此收获。另一个说法是前一天晚上刚给最后一批学生兵发了枪，学生兵们兴奋得睡不着觉，纷纷要求去团河增援遭遇伏击的132师官兵。营中有个名叫王汝厉的参谋看到这种情况，就让他们在阵地前埋地雷，免得他们自行出动。没想到第二天日军恰好选择这里突破。
第一次攻击失败后，有些意外的第二十师团师团长川岸文三郎赶到前线接替了指挥。28日早8时，日军在猛烈炮火的掩护下，发动了第二次进攻。日军飞机也赶来助战，没有防空经验的29军守军损失惨重，通讯系统完全被摧毁，攻击的日军迅速攻占了29军的第一线阵地，南苑阵地的外壕外墙被日军多处突破。
但是，29军的抵抗依然十分猛烈，日军寸步难进，死伤甚重。
由于遭到意外顽强的抵抗，川岸下达了两条对南苑之战结果至关重要的命令——第一条是命令从承德起飞的轰炸机部队全力加强对南苑的轰炸和扫射。第二条命令，是要求日军驻扎在通县的预备队——华北驻屯军第二联队（萱岛联队）从通县南下，自侧背的东方夹击南苑守军。
下达第一条命令，是因为川岸看清了29军防空火力几乎为零的弱点。空袭非常有效，南苑在炸弹爆炸声中变成了一片火海。据参加过南苑战斗的29军官兵后来回忆，日军的轰炸令战士只能挨打，无法还击，军心迅速动摇。而第二条命令，则是因为他收到了潘毓桂的密报。
根据几位亲历者的讲述，南苑之战中29军的指挥如果用一个字描述，那就是“乱”。负责南苑防御的总指挥赵登禹对当地情况还来不及熟悉就投入了战斗，留给他的部队番号杂乱，开战后沟通不利，各自为战，混乱一片。
在军训团教育长张寿龄的回忆中，日本兵天上地下协同作战，电话线一早就被炸断了，四处都联系不上，军部也被炸得乱七八糟，副军长佟麟阁、132师师长赵登禹不知去向。心急的张寿龄率队四下寻找同伴，直到中午才得知军部有命令，叫马上转移，能进北平城的话进城，不能进城就去保定。接到命令后，张寿龄赶紧命各大队分散，利用青纱帐的掩护撤退。
而学兵王俊峰则回忆说，战斗一打响就找不着班长和中队长了，后来听说教育长张寿龄抱了一挺高射机关枪在打飞机。大家一听很高兴，好歹还有高级军官在——其实，当时佟麟阁、孙玉田等将领都在战斗，只是相互失去了联系。张寿龄中午时分传达的撤退命令，直到下午才传到王俊峰等学兵的耳朵里，就这也只是小道消息，没有正式军官进行传达。得知消息的学员们便自发组织起来，三三两两地自行突围。
突围中，有人向南走，也有人向北走。其中南线为教导旅一部，当天在永定河与当地守军会合，后撤保定。北线为军部主力，佟麟阁、赵登禹均随此路突围。因为激烈的战斗，而且部队中夹杂了大量的非战斗人员，突围后向北平撤退的部队队形混乱，争先恐后，各部长官实际都已经难以掌握部队，从后来的资料看，突围中佟赵之间也都失去了联系。
这时，南苑守军撤退的路线沿途，已经排布好了日军的华北驻屯军第二联队。他们把机枪架在了道路两边的田地和村庄中，静候着退下来的南苑守军。
这又是被叛卖的结果。当时，赵登禹下达的撤退令并非擅自行事，而是根据宋哲元的命令。28日南苑遭到袭击，宋哲元料守军难以支撑，当日上午下令赵登禹率部撤离。但是，由于南苑通讯系统都被日军摧毁，命令通过最近的38师部队派员冒死送达南苑时，已经过去了几个小时。
在这几个小时的时间里，命令的内容，军队的撤退路线，早已被潘毓桂转给了日军。因此，才有了川岸立即让驻屯军第二联队由通县转而前往大红门方向的命令。
这直接导致了赵登禹与佟麟阁两位将军的阵亡。
下午4时，南苑撤退下来的守军在大红门一带落入日军伏击圈。由于缺乏遮蔽，又没有防备，战斗很快演变成了单方面的屠杀，南苑守军共七千多名，最后伤亡五千余人，大部分就是在这里损失的。
此前，赵登禹将军在战斗中腿部负伤，阵亡在他所乘坐的黑色道奇轿车中，因为汽车目标大，遭到日军的集中扫射，所以赵登禹死状极惨。而佟麟阁则是先被击伤落马，随后在带伤指挥部下突围时，头部再次中弹而牺牲。
这是29军平津抗战中最为惨烈的一幕，也是南苑保卫战的最后一幕。次日，宋哲元下令放弃北平，29军全线南撤。
故都沦陷
7月28日晚，大势已去。
据曾在卢沟桥作战的29军老兵马步先回忆，“到了晚上，大概走到桥西边二三里地时，旅长何基沣坐着吉普车来了，说：‘219团向后转。’后来我们才知道，那时南苑已经丢了，29军副军长佟麟阁和第132师师长赵登禹都牺牲了，大势已去，所以就撤了。”
黄昏时分，29军残部三三两两地分散退回北平，终于集结起来。随后，有命令传来，要所有官兵到中南海集合、休整。
晚上12时，中南海怀仁堂里挤满了军官。29军参谋长张克侠当众宣布了宋哲元的口信：“今天晚上，宋委员长已经到保定去了。他认为孤军作战，战争已经不能再打下去了，让我宣布他的手令。”张克侠说，宋哲元已经接受了日军提出的条件，限29军明早1时前全部撤出北平，不许留下一兵一卒，北平的治安由代市长张自忠维持。愿意走的马上出发，经廊坊到保定，不愿意走的，发给路费，就地遣散。
宋哲元是在28日晚上撤退的，当晚，宋到达保定后，于30日发电报给蒋介石，称：“刻患头疼，亟宜修养”，并将29军军长职务交给冯治安代理。
兵败如山倒。
7月29日，拂晓，日军独立第11混成旅团进攻北苑与黄寺的独立第39旅和冀北保安部队。战至下午6时，黄寺被日军攻陷。随后，在北苑的独立第39旅旅长阮玄武投敌，北平城内的独立27旅也被日军解除武装。
这一天，北平沦陷。一天之后，天津沦陷。
